阅读说明：本技术 一种活塞球铁镶圈材料 (Piston ductile iron insert ring material ) 是由 刘世英 冯增建 朱俊奎 王广青 邓志阳 李金辉 李艳军 崔岩寿 张卫东 冯业文 于 2019-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种活塞球铁镶圈材料,其特征在于：包括如下质量比的化学成分：碳：2.3-4.4%、硅：1.6-4.2%、锰：0.05-9.5%、镍：2.8-15.0%、铜：3.6-9.0%、铬：≤2.5%、氮：0.01-0.8%、镁：≤0.18%、硫：≤0.1%、磷：≤0.15%,其余为铁和不可避免的杂质。本发明的机械性能比现有原有奥氏体镶圈材料提高近147%以上,抗拉强度相比于过去的170MPa,该球墨铸铁镶圈可达到420MPa,线膨胀系数为18.3×10<Sup>-6</Sup>。(The invention discloses a piston ductile iron insert ring material, which is characterized in that: the chemical components comprise the following mass ratio: carbon: 2.3-4.4%, silicon: 1.6-4.2%, manganese: 005-9.5%, nickel: 2.8-15.0%, copper: 3.6-9.0%, chromium: less than or equal to 2.5 percent and nitrogen: 0.01-0.8%, magnesium: less than or equal to 0.18 percent, sulfur: less than or equal to 0.1 percent, phosphorus: less than or equal to 0.15 percent, and the balance of iron and inevitable impurities. The mechanical property of the invention is improved by more than 147 percent compared with the prior austenite insert ring material, the tensile strength is more than 170MPa in the past, the nodular cast iron insert ring can reach 420MPa, and the coefficient of linear expansion is 18.3 multiplied by 10 ‑6 。)

一种活塞球铁镶圈材料

技术领域

本发明涉及球墨铸铁技术领域，具体涉及一种活塞球铁镶圈材料及其制造方法。

背景技术

发动机苛刻的工作环境，导致活塞第一道环槽的过度磨损，目前采用活塞镶圈有效解决了这一问题的途径。活塞镶圈采用渗铝铸入的方法与活塞浇注成一体，镶铸于活塞头部，有效提高了活塞使用寿命。在高性能发动机上都普遍采用了这种活塞镶圈。活塞镶圈的质量优劣直接影响到活塞的使用情况以及整个发动机的性能，而活塞镶圈合金材料是影响其性能的关键。目前的活塞镶圈材料采用是高镍奥氏体铸铁材料，但其强度仅有170多MPa，这在国五及国五以下排放发动机，高镍奥氏体铸铁材料可满足活塞要求。但随国六试验的开展，活塞承受了更高的温度及应力，大部分镶圈铝活塞已被钢活塞所代替，究其原因是因为活塞及镶圈难以满足发动机对活塞及镶圈整体性能的要求。因此开发高性能活塞镶圈变得非常迫切。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种活塞球铁镶圈材料及其制造方法。

本发明镶圈采用球墨铸铁，球墨铸铁的石墨形态为圆球状，对金属基体的割裂作用最小，这就决定了它机械强度高、塑性好、抗氧化，尤其是耐磨、抗热疲劳性能高的优势，逐渐成为高功率柴汽油机关键件的理想材料。结合高镍、高铜可形成奥氏体基体组织，可使线膨胀系数达到18×10^-6的要求，从而满足活塞镶圈粘结率的要求。

本发明所述的活塞球铁镶圈材料，包括如下质量比的化学成分：碳：2.3-4.4%、硅：1.6-4.2%、锰：0.05-9.5%、镍：2.8-15.0%、铜：3.6-9.0%、铬：≤2.5%、氮：0.01-0.8%、镁：≤0.18%、硫：≤0.1%、磷：≤0.15%，其余为铁和不可避免的杂质，其中%为质量百分数。

进一步优选的，所述活塞球铁镶圈材料包括如下质量比的化学成分：碳：2.3-3.0%、硅：1.6-3.0%、锰：0.05-7.5%、镍：4.5-14.5%、铜：3.6-7.5%、铬：≤2.0%、氮：0.01-0.5%、镁：≤0.18%、硫：≤0.05%、磷：≤0.15%，其余为铁和不可避免的杂质，其中%为质量百分数

所述活塞球铁镶圈材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将增碳剂、镶圈铁屑料、镶圈回炉料、生铁、废钢加入到中频感应电炉熔炼，其中，增碳剂放在最底层，将镶圈铁屑料均匀覆盖在增碳剂上，再依次加入镶圈回炉料、生铁、废钢，熔化后再加入电解镍、电解铜、硅铁、继续熔炼，合金熔化后再加入剩余镶圈铁屑料，在铁液温度达到1580-1630℃时，加入氮化铁、氮化铬铁和氮化锰铁；

（2）当铸铁熔液的成分合格，温度达到1580-1620℃后，采用包内冲入法进行球化处理，球化剂与硅铁孕育剂顺次放入包内，其上覆盖一层铁屑或硅钢片；

（3）将孕育后的铸铁熔液转入小浇包中，并向铸铁熔液中加入0.15～0.4%硅钡、硅钙、硅铁或硅锶孕育剂，然后进行浇注，浇入铁模或砂型型腔内，得到奥氏体球墨铸铁镶圈。

其中，

步骤（1）中，所述增碳剂选用要求是：硫≤0.1%，碳≥0.95%，粒度1～10mm。

步骤（1）中，镶圈铁屑料和镶圈回炉料分别选用球铁镶圈铁屑料及球铁镶圈回炉料，在初次生产没有球铁镶圈回炉料及球铁镶圈铁屑料时可加入部分现有镶圈回炉料及现有镶圈铁屑料，正常生产时为节约成本、稳定质量则必须添加球铁镶圈回炉料及球铁镶圈铁屑料。

步骤（2）中，球化剂采用镍镁合金、铜镁合金、稀土镁合金中其中一种，球化剂作用就是用作对铸铁液进行球化处理，从而使石墨形态形成球状，达到增加铸铁强度的目的。孕育剂的作用是细化晶粒、减少碳化物。

步骤（3）中，浇注温度是1530～1430℃。

步骤（3）中，得到的奥氏体球墨铸铁镶圈的显微组织由奥氏体基体、球状石墨和部分团球状石墨组成。

步骤（3）中，得到的奥氏体球墨铸铁镶圈的球化率要求≥80%，石墨大小按GB/T9441规定5-8级，抗拉强度要求大于400Mpa。

一种活塞镶圈，由上述球铁镶圈材料制备而成

本发明的有益效果体现在：该奥氏体球墨铸铁镶圈的机械性能比现有原有奥氏体镶圈材料提高近147%以上，抗拉强度相比于过去的170MPa，该球墨铸铁镶圈可达到420MPa，线膨胀系数为18.3×10^-6，通过活塞CAE分析可有效满足国六发动机对活塞的性能要求。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

活塞球铁镶圈材料的化学成分（按质量比）如下：

碳：3.0％、硅：2.3％、锰：0.05％、镍：14.39％、铜：5.33％、铬：1. 8％、镁：0.043％、稀土：0.033％、氮： 0.09%、硫：0.020％、磷：0.012％，其余为铁和不可避免的杂质。

活塞镶圈铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将增碳剂、部分镶圈铁屑料、镶圈回炉料、生铁、废钢加入到中频感应电炉熔炼，增碳剂放在最底层，上面先以部分镶圈铁屑料均匀覆盖在增碳剂上，再依次加入镶圈回炉料、生铁、废钢，熔化后再加入电解镍、电解铜、硅铁继续熔炼，有熔融铁液后再加入剩余的大部分镶圈铁屑料；在铁液温度达到1590℃时，依次加入氮化铬铁和氮化锰铁，中间略停留7分钟。在初次生产没有球铁镶圈回炉料及球铁镶圈铁屑料时可加入部分现有镶圈回炉料及现有镶圈铁屑料，正常生产时为节约成本、稳定质量则必须添加球铁镶圈回炉料及球铁镶圈铁屑料。增碳剂的选用要求为：硫≤0.1%，碳≥0.95%，粒度1～10mm。

（2）当铸铁熔液的成分合格，温度达到1590℃后，进行球化处理，采用包内冲入法，球化剂采用稀土镁合金，加入量0.85%，球化剂与硅铁孕育剂顺次放入包内，其上覆盖一层铁屑。硅铁孕育剂加入量为0.6%。

（3）将铸铁熔液由中间包转入小浇包，在小浇包中加入铸铁熔液质量的0.2%的硅钡孕育剂，主要成分有：Si(68%～75%)，Ba(2.0%～4.0%)，Ca(1.0%～3.0%)，Al(＜1.5%)，其余为铁。该类孕育剂来源广泛。浇注温度为1430℃左右，采用离心铸造方式，得到铸铁材料镶圈。

（4）在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为由奥氏体基体、球状石墨和部分团球状石墨组成。该材料的球化率达到85%，石墨大小为6级。

（5）在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，抗拉强度达到416MPa。

实施例2

活塞球铁镶圈材料的化学成分（按质量比）如下：

碳：2.85％、硅：2.48％、锰：1.19％、镍：11.39％、铜：7.33％、铬：1. 3％、镁：0.054％、氮： 0.13%、硫：0.015％、磷：0.012％，其余为铁和不可避免的杂质。

活塞镶圈铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将增碳剂、部分镶圈铁屑料、镶圈回炉料、生铁、废钢加入到中频感应电炉熔炼，增碳剂放在最底层，上面先以部分镶圈铁屑料均匀覆盖在增碳剂上，再依次加入镶圈回炉料、生铁、废钢，熔化后再加入电解镍、电解铜、硅铁继续熔炼，有熔融铁液后再加入剩余的大部分镶圈铁屑料；在铁液温度达到1600℃时，依次加入氮化铬铁和氮化锰铁，中间略停留8分钟。在初次生产没有球铁镶圈回炉料及球铁镶圈铁屑料时可加入部分现有镶圈回炉料及现有镶圈铁屑料，正常生产时为节约成本、稳定质量则必须添加球铁镶圈回炉料及球铁镶圈铁屑料。增碳剂的选用要求为：硫≤0.1%，碳≥0.95%，粒度1～10mm。

（2）当铸铁熔液的成分合格，温度达到1600℃后，进行球化处理，采用包内冲入法，球化剂采用镍镁合金，加入量1.0%，球化剂与硅铁孕育剂顺次放入包内，其上覆盖一层硅钢片，尺寸3-10mm，加入量0.4%。硅铁孕育剂加入量为0.55%。

（3）将铸铁熔液由中间包转入小浇包，在小浇包中加入0.25%硅钙孕育剂。浇注温度为1470℃左右，砂型采用铁模覆砂工艺，得到球铁材料镶圈。

（4）在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为由奥氏体基体、球状石墨和部分团球状石墨组成。该材料的球化率达到80%，石墨大小为6级。

（5）在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，抗拉强度达到421MPa。

实施例3

活塞球铁镶圈材料的化学成分（按质量比）如下：

碳：2.6％、硅：2.79％、锰：3.49％、镍：10.72％、铜：5.66％、铬：0.74％、镁：0.056％、氮： 0.27%、硫：0.008％、磷： 0.038％，其余为铁和不可避免的杂质。

活塞镶圈铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将增碳剂、部分镶圈铁屑料、镶圈回炉料、生铁、废钢加入到中频感应电炉熔炼，增碳剂放在最底层，上面先以部分镶圈铁屑料均匀覆盖在增碳剂上，再依次加入镶圈回炉料、生铁、废钢，熔化后再加入电解镍、电解铜、硅铁继续熔炼，有熔融铁液后再加入剩余的大部分镶圈铁屑料；在铁液温度达到1610℃时，依次加入氮化铬铁和氮化锰铁，中间略停留9分钟。在初次生产没有球铁镶圈回炉料及球铁镶圈铁屑料时可加入部分现有镶圈回炉料及现有镶圈铁屑料，正常生产时为节约成本、稳定质量则必须添加球铁镶圈回炉料及球铁镶圈铁屑料。增碳剂的选用要求为：硫≤0.1%，碳≥0.95%，粒度1～10mm。

（2）当铸铁熔液的成分合格，温度达到1610℃后，进行球化处理，采用包内冲入法，球化剂采用铜镁合金，加入量1.1%，球化剂与硅铁孕育剂顺次放入包内，其上覆盖一层铁屑。硅铁孕育剂加入量为0.56%。

（3）将铸铁熔液由中间包转入小浇包，在小浇包中加入0.24%硅铁孕育剂。浇注温度为1500℃左右，砂型采用树脂砂工艺，得到球铁材料镶圈。

（4）在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为由奥氏体基体、球状石墨和部分团球状石墨组成。该材料的球化率达到86%，石墨大小为7级。

（5）在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，抗拉强度达到436MPa。

实施例4

活塞球铁镶圈材料的化学成分（按质量比）如下：

碳：2.4％、硅：2.82％、锰：7.28％、镍：4.89％、铜：4.29％、铬：0.05％、镁：0.06％、氮：0.38%、硫：0.012％、磷：0.020％，其余为铁和不可避免的杂质。

活塞镶圈奥氏体球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

（1）将增碳剂、部分镶圈铁屑料、镶圈回炉料、生铁、废钢加入到中频感应电炉熔炼，增碳剂放在最底层，上面先以部分镶圈铁屑料均匀覆盖在增碳剂上，再依次加入镶圈回炉料、生铁、废钢，熔化后再加入电解镍、电解铜、硅铁继续熔炼，有熔融铁液后再加入剩余的大部分镶圈铁屑料；在铁液温度达到1620℃时，依次加入氮化铁、氮化铬铁和氮化锰铁，中间略停留10分钟。在初次生产没有球铁镶圈回炉料及球铁镶圈铁屑料时可加入部分现有镶圈回炉料及现有镶圈铁屑料，正常生产时为节约成本、稳定质量则必须添加球铁镶圈回炉料及球铁镶圈铁屑料。增碳剂的选用要求为：硫≤0.1%，碳≥0.95%，粒度1～10mm。

（2）当铸铁熔液的成分合格，温度达到1620℃后，进行球化处理，采用包内冲入法，球化剂采用镍镁合金，加入量1.2%，球化剂与硅铁孕育剂顺次放入包内，其上覆盖一层硅钢片，尺寸3-10mm，加入量0.4%。硅铁孕育剂加入量为0.5%。

（3）将铸铁熔液由中间包转入小浇包，在小浇包中加入0.3%硅锶孕育剂。浇注温度为1520℃左右，砂型采用铁模覆砂工艺，得到球铁材料镶圈。

（4）在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为由奥氏体基体、球状石墨和部分团球状石墨组成。该材料的球化率达到86%，石墨大小为7级。

（5）在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，抗拉强度达到439MPa。抗拉强度为镶圈的最为重要的指标，在实际实验中我们的镶圈，在400MPa抗拉强度情况下，已通过了活塞CAE分析，能满足国六排放发动机活塞对镶圈性能的要求

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。